一種基于串聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于串聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統及方法。系統包括出口聯箱、出口連接管、蓄熱體、換熱管、第一溫度傳感器、密封保溫層、三通閥、止回閥、入口聯箱、循環水泵、流量計、控制柜、補水連接管、蓄水池、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器。本發明采用管路串聯方法，通過在流動方向增加換熱面積的方法來解決蓄熱體溫度降低導致的換熱系數和換熱功率降低的問題；本發明換熱過程中單根管路內的流量不變，換熱過程相對簡單，便于系統的設計和計算。通過本發明的實施，可以有效降低傳統電鍋爐的運行成本，經過計算，采用本發明的蒸汽系統成本與天然氣系統相當，具有廣泛的市場應用前景。
【專利說明】
一種基于串聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統及方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種基于串聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統及方法，屬于顯熱 蓄熱換熱技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著節能減排戰略的推廣，傳統高能耗、高污染的中小燃煤鍋爐將逐漸被替代和 淘汰，這給供熱市場帶來巨大的市場空間。當前，解決市場的供熱需求主要靠熱電廠的大型 供熱機組，但這一機制需要較長時間的規劃和建設，市場靈活性較差。為了分散性的供熱需 求，天然氣鍋爐、電鍋爐和太陽能鍋爐存在巨大的發展空間，但是天然氣鍋爐系統存在供氣 不足問題，電加熱鍋爐存在用電成本太高問題，太陽能鍋爐存在熱負荷不穩定問題。
[0003] 對于電鍋爐的用電成本問題，蓄熱技術為降低系統用電成本提供了很好的解決思 路，利用峰谷電的價格差，可以將電鍋爐的運行成本降低到天然氣水平，具有廣泛的市場應 用前景。
[0004] 然而，蓄熱技術包括顯熱蓄熱技術和潛熱蓄熱技術，顯熱蓄熱系統是利用蓄熱材 料的熱容量，通過溫度升高或降低而實現熱量的儲存或釋放過程。該系統結構比較簡單，運 行安全性比相變換熱系統要高，但主要存在的問題在于換熱過程中，蓄熱體的溫度不斷降 低，導致換熱相同換熱面積條件下的換熱功率不斷降低，存在輸出功率不穩定的問題，只能 應用于對蒸汽參數要求不高的場合，不能滿足對蒸汽參數和輸出功率有嚴格要求的熱利用 系統的需求，如供熱鍋爐等。
[0005] 因此，如何解決顯熱換熱系統換熱功率不斷降低的問題，換熱功率穩定，實現蓄熱 系統在更大溫度的范圍內持續、穩定地產生滿足需求的蒸汽，成為顯熱蓄熱系統設計中亟 需解決的問題。
【發明內容】
[0006] 為解決上述問題，本發明提出一種基于并聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統 及方法。
[0007] 為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0008] -種基于串聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統，包括出口聯箱、出口連接管、 蓄熱體、換熱管、第一溫度傳感器、密封保溫層、三通閥、止回閥、入口聯箱、循環水栗、流量 計、控制柜、補水連接管、蓄水池、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器;蓄熱體內安裝有呈蛇 形布置的換熱管，蓄熱體外敷有密封保溫層，循環水栗出口經補水連接管與入口聯箱、換熱 管順次相連;換熱管沿流動方向依次安裝有若干三通閥，三通閥的另一個出口經出口連接 管與出口聯箱相連，換熱管末端通過止回閥經出口連接管與出口聯箱相連;循環水栗入口 與蓄水池相連，蓄熱體上安裝有第一溫度傳感器，入口聯箱內安裝有第二溫度傳感器，出口 聯箱內安裝有第三溫度傳感器，補水連接管上裝有流量計，流量計、溫度傳感器、三通閥、循 環水栗、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器分別與控制柜相連。
[0009] 所述的換熱管的數量大于等于1，當換熱管數量大于1時，每根換熱管入口與入口 聯箱為并聯連接。
[0010] 所述的蓄熱體由若干石墨塊堆砌而成，石墨塊之間的半圓安裝孔通過配合形成圓 孔，再與換熱管配合連接。
[0011] 所述的蓄熱體材料為石墨，其加熱方式包括電加熱和太陽能聚光加熱。
[0012] 一種利用所述的基于串聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統的換熱方法:控制 柜根據需求給定循環流量G all值，從而每根換熱管內分配的流量G為恒定，液體水在換熱管 中通過與蓄熱體換熱，產生蒸汽經三通閥流入出口聯箱排出；與此同時，控制柜根據出口聯 箱內的第三溫度傳感器的溫度以及蓄熱體的第一溫度傳感器控制三通閥的開閉數量，從而 實現對換熱面積的調整，使蓄熱體的溫度隨著換熱而降低，但換熱管內的換熱功率保持不 變，從而保證出口蒸汽的參數不變；
[0013] 控制柜對三通閥的控制方法如下：
[0014] 初始階段，控制各個三通閥的開閉狀態，使液體水只通過換熱管的一部分后即流 入出口聯箱;此時，開啟的三通閥中，只有最后一個三通閥的流向是與入口聯箱相通，其他 三通閥則是與換熱管相通;在單根換熱管內滿足如下能量平衡：
[0015]
(1)
[0016] 式中，f為初始溫度下換熱管總平均換熱系數，巧為蓄熱體初始階段平均溫度，f 為單根換熱管內流體平均溫度，△ Η為換熱管進出口流體焓差，Αο為初始階段換熱管有效換 熱面積；
[0017] 設定出口蒸汽溫度的最大波動值為2 ，對應的蒸汽焓差為2 Δ!Τ ;
[0018] 任意i時刻，當換熱管內的功率達到如下關系式(2)時，控制柜控制當前流向出口 聯箱的三通閥轉向，使得流體繼續沿著換熱管流動至下一段進行換熱，并控制下一個三通 閥通向出口聯箱；
[0019]
v2)
[0020] 式中：?為瞬時總平均換熱系數；歹為蓄熱體平均瞬時溫度;Ai為i時刻換熱管有 效換熱面積；
[0021] 此時，換熱管的有效換熱面積增大至A1+1，使得換熱關系滿足如下公式(3):
[0022]
(3)
[0023] 由此，完成一次換熱面積的調控，使得系統換熱功率保持相對穩定；
[0024]在調整過程中，i時刻開啟的三通閥與i+Ι時刻開啟的三通閥之間的換熱管長度Δ li之間的關系為：
[0025]
(4)
[0026]其中，Ai+ι為i+Ι時刻換熱管有效換熱面積;d為換熱管內徑。
[0027] 與現有技術相比，本發明主要特點在于：
[0028] (1)本發明采用管路串聯方法，通過在流動方向增加換熱面積的方法來解決蓄熱 體溫度降低導致的平均換熱系數和換熱功率降低的問題。
[0029] (2)本發明采用串聯方法，單根管路內的流量不變，換熱過程相對簡單，便于系統 的設計和計算。
[0030] (3)本發明通過串聯方法調節單根換熱管功率的同時，考慮并聯管路實現對單根 管路流量的控制，擴展了系統的功率適應性。
[0031] (4)本發明蓄熱體采用標準化塊狀結構，使得蓄熱體結構可根據實際情況進行組 合，提高了適應性，半孔結構提高了蓄熱體與管道之間安裝的便利性。
【附圖說明】
[0032]圖1是本發明的一種基于串聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統；
[0033] 圖2是本發明的蒸汽發生換熱管路布置示意圖；
[0034] 圖3是本發明的蓄熱體內單根換熱管單排串聯布置示意圖；
[0035] 圖4是本發明的蓄熱體內兩根換熱管單排串聯布置示意圖；
[0036] 圖5是本發明的蓄熱體內單根換熱管多(兩)排串聯布置示意圖；
[0037] 圖6是本發明的蓄熱體內多(兩)根換熱管多(兩)排串聯布置示意圖；
[0038] 圖中：出口聯箱1、出口連接管2、蓄熱體3、換熱管4、第一溫度傳感器5、密封保溫層 6、三通閥7、止回閥8、入口聯箱9、循環水栗10、流量計11、控制柜12、補水連接管13、蓄水池 14、第二溫度傳感器15、第三溫度傳感器16、石墨塊17和半圓安裝孔18。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步闡述和說明。本發明中各個實施 方式的技術特征在沒有相互沖突的前提下，均可進行相應組合。
[0040] 如圖1-2所示，一種基于串聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統，包括出口聯箱 1、出口連接管2、蓄熱體3、換熱管4、第一溫度傳感器5、密封保溫層6、三通閥7、止回閥8、入 口聯箱9、循環水栗10、流量計11、控制柜12、補水連接管13、蓄水池14、第二溫度傳感器15、 第三溫度傳感器16;蓄熱體3內安裝有呈蛇形布置的換熱管4。蓄熱體3外敷有密封保溫層6， 循環水栗10出口經補水連接管13與入口聯箱9、換熱管4順次相連;換熱管4由多節管體組 成，沿流動方向依次安裝有若干三通閥7，多節管體之間通過三通閥7連接，三通閥7的另一 個出口經出口連接管2與出口聯箱1相連，換熱管4末端通過止回閥8經出口連接管2與出口 聯箱1相連;循環水栗10入口與蓄水池14相連，蓄熱體3上安裝有第一溫度傳感器5，入口聯 箱9內安裝有第二溫度傳感器15,出口聯箱1內安裝有第三溫度傳感器16,補水連接管13上 裝有流量計11，流量計11、溫度傳感器5、三通閥7、循環水栗10、第二溫度傳感器15、第三溫 度傳感器16分別與控制柜12相連。
[0041] 如圖3-6所示，所述的換熱管4的數量大于等于1，當換熱管4數量大于1時，每根換 熱管入口與入口聯箱9為并聯連接。
[0042] 所述的蓄熱體3由若干石墨塊17堆砌而成，石墨塊之間的半圓安裝孔18通過配合 形成圓孔，再與換熱管4配合連接。
[0043] 所述的蓄熱體3材料為石墨，其加熱方式包括電加熱和太陽能聚光加熱。
[0044] -種利用所述的基于串聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統的換熱方法:控制 柜12根據需求給定循環流量6 311值，從而每根換熱管4內分配的流量G為恒定，液體水在換熱 管4中通過與蓄熱體3換熱，產生蒸汽經三通閥7流入出口聯箱1排出；與此同時，控制柜12根 據出口聯箱1內的第三溫度傳感器16的溫度以及蓄熱體3的第一溫度傳感器5控制三通閥7 的開閉數量，從而實現對換熱面積的調整，使蓄熱體3的溫度隨著換熱而降低，但換熱管4內 的換熱功率保持不變，從而保證出口蒸汽的參數不變；
[0045] 控制柜12對三通閥7的控制方法如下：
[0046] 初始階段，控制各個三通閥7的開閉狀態，使液體水只通過換熱管4的一部分后即 流入出口聯箱1;此時，開啟的三通閥7中，只有最后一個三通閥7的流向是與入口聯箱1相 通，其他三通閥7則是與換熱管4相通;在單根換熱管4內滿足如下能量平衡：
[0047]
(1)
[0048] 式中，冗為初始溫度下換熱管4總平均換熱系數，叉為蓄熱體初始階段平均溫度， &為單根換熱管內流體平均溫度，△ Η為換熱管進出口流體焓差，Αο為初始階段換熱管有效 換熱面積；
[0049] 設定出口蒸汽溫度的最大波動值為2 △ f，對應的蒸汽焓差為2 Δ把；
[0050] 任意i時刻，當換熱管4內的功率達到如下關系式(2)時，控制柜12控制當前流向出 口聯箱1的三通閥7轉向，使得流體繼續沿著換熱管4流動至下一段進行換熱，并控制下一個 三通閥7通向出口聯箱1;
[0051 ]
(2)
[0052] 式中為瞬時總平均換熱系數;歹為蓄熱體平均瞬時溫度;Ai為i時刻換熱管有效 換熱面積；
[0053] 此時，換熱管4的有效換熱面積由i時刻的Ai增大至i + Ι時刻的Ai+1，使得換熱關系 滿足如下公式(3):
[0054]
(3)
[0055] 由此，完成一次換熱面積的調控，使得系統換熱功率保持相對穩定；
[0056]在調整過程中，i時刻開啟的三通閥與i + Ι時刻開啟的三通閥之間的換熱管4長度 A li之間的關系為：
[0057] {4)：
[0058] 炎」；^熱管有效換熱面積;d為換熱管4內徑。
[0059]本發明的具體工作過程如下：
[0060] 首先，蓄熱體在谷電時間通過控制柜控制加熱電路對蓄熱體加熱，使得蓄熱體溫 度升高至工作溫度范圍內；由于蓄熱體采用的是石墨，具有較好的導熱系數，因此，再加熱 和放熱過程中，蓄熱體的溫差不會太大，可以看成等溫體。
[0061] 蓄熱體加熱不產汽時，控制三通閥使得換熱管與出口聯箱相連或者換熱管之間貫 通，止回閥打開，避免空氣膨脹導致內部壓力過大;在工作時，控制柜根據循環流量需求以 及第一溫度傳感器的反饋判斷蓄熱體溫度，此時，相應的單根換熱管內的流量也是確定的， 因此控制器可根據蓄熱體溫度決定換熱管面積或長度，從而決定三通閥的開啟數量及轉 向，使得各個三通閥之間的管路串聯至最后一個三通閥流向出口聯箱;隨后，循環水栗將蓄 水池內的水經補水連接管輸送到入口聯箱分配到換熱管內，開始換熱產生蒸汽，蒸汽經出 口聯箱匯集排出。
[0062] 此時，換熱功率滿足設計工況，即：
[0063]
(1)
[0064] 與此同時，隨著換熱的進行，蓄熱體溫度降低，假定蒸汽溫度的最大波動值為2 Δ f，對應的蒸汽焓差為2ΔΗ'。控制柜根據預先設定的溫度波動范圍和相應的焓差，通過蓄 熱體溫度以及出口聯箱內蒸汽溫度雙向反饋，當換熱管內的換熱功降低到如下臨界關系：
[0065]
(2)
[0066] 控制柜控制當前流向出口聯箱的三通閥轉向，使得流體繼續沿著換熱管流動換 熱，并控制下一個三通閥通向出口聯箱，此時，換熱管的換熱面積變成了A 1+1，使得換熱關系 滿足如下公式(3):
[0067]
(3)
[0068] 此時，換熱系統完成了一次面積的調控，使得系統換熱功率保持相對穩定。
[0069]相應的，在調整過程中，i時刻開啟的三通閥與i + Ι時刻開啟的三通閥之間的距離 A li之間的關系為：
[0070]
(4)
[0071] 其中，d為換熱管4內徑。
[0072] 本發明采用管路串聯方法，通過在流動方向增加換熱面積的方法來解決蓄熱體溫 度降低導致的平均換熱系數和換熱功率降低的問題。本發明換熱過程中單根管路內的流量 不變，換熱過程相對簡單，便于系統的設計和計算。
[0073] 通過本發明的實施，可以有效降低傳統電鍋爐的運行成本，經過計算，采用本發明 的蒸汽系統成本與天然氣系統相當，具有廣泛的市場應用前景。
【主權項】
1. 一種基于串聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統，其特征在于包括出口聯箱（1)、 出口連接管（2)、蓄熱體(3)、換熱管(4)、第一溫度傳感器(5)、密封保溫層(6)、三通閥（7)、 止回閥（8)、入口聯箱(9)、循環水栗（10)、流量計（11)、控制柜（12)、補水連接管（13)、蓄水 池（14)、第二溫度傳感器（15)、第三溫度傳感器（16);蓄熱體(3)內安裝有呈蛇形布置的換 熱管(4)，蓄熱體(3)外敷有密封保溫層(6)，循環水栗（10)出口經補水連接管（13)與入口聯 箱(9)、換熱管(4)順次相連;換熱管(4)沿流動方向依次安裝有若干三通閥（7)，三通閥（7) 的另一個出口經出口連接管（2)與出口聯箱（1)相連，換熱管(4)末端通過止回閥（8)經出口 連接管⑵與出口聯箱⑴相連;循環水栗（10)入口與蓄水池（14)相連，蓄熱體⑶上安裝有 第一溫度傳感器(5 )，入口聯箱(9)內安裝有第二溫度傳感器(15 )，出口聯箱（1)內安裝有第 三溫度傳感器（16)，補水連接管（13)上裝有流量計（11)，流量計（11)、溫度傳感器(5)、三通 閥（7)、循環水栗（10)、第二溫度傳感器(15)、第三溫度傳感器(16)分別與控制柜（12)相連。2. 根據權利要求1所述的一種基于串聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統，其特征 在于所述的換熱管(4)的數量大于等于1，當換熱管(4)數量大于1時，每根換熱管入口與入 口聯箱(9)為并聯連接。3. 根據權利要求1所述的一種基于串聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統，其特征 在于所述的蓄熱體(3)由若干石墨塊（17)堆砌而成，石墨塊之間的半圓安裝孔（18)通過配 合形成圓孔，再與換熱管(4)配合連接。4. 根據權利要求1所述的一種基于串聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統，其特征 在于所述的蓄熱體(3)材料為石墨，其加熱方式包括電加熱和太陽能聚光加熱。5. -種利用權利要求1所述的基于串聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統的換熱方 法，其特征在于:控制柜（12)根據需求給定循環流量G all值，從而每根換熱管(4)內分配的流 量G為恒定，液體水在換熱管(4)中通過與蓄熱體(3)換熱，產生蒸汽經三通閥（7)流入出口 聯箱（1)排出；與此同時，控制柜（12)根據出口聯箱（1)內的第三溫度傳感器（16)的溫度以 及蓄熱體(3)的第一溫度傳感器(5)控制三通閥（7)的開閉數量，從而實現對換熱面積的調 整，使蓄熱體(3)的溫度隨著換熱而降低，但換熱管(4)內的換熱功率保持不變，從而保證出 口蒸汽的參數不變； 控制柜(12)對三通閥(7)的控制方法如下： 初始階段，控制各個三通閥（7)的開閉狀態，使液體水只通過換熱管(4)的一部分后即 流入出口聯箱（1);此時，開啟的三通閥（7)中，只有最后一個三通閥（7)的流向是與入口聯 箱(1)相通，其他三通閥（7)則是與換熱管(4)相通;在單根換熱管(4)內滿足如下能量平衡：(1) 式中，€為初始溫度下換熱管(4)總平均換熱系數，?ν為蓄熱體初始階段平均溫度，f 為單根換熱管內流體平均溫度，△ Η為換熱管進出口流體焓差，Αο為初始階段換熱管有效換 熱面積； 設定出口蒸汽溫度的最大波動值為2 △ f，對應的蒸汽焓差為2 Δ把； 任意i時刻，當換熱管(4)內的功率達到如下關系式(2)時，控制柜（12)控制當前流向出 口聯箱(1)的三通閥（7)轉向，使得流體繼續沿著換熱管(4)流動至下一段進行換熱，并控制 下一個三通閥（7)通向出口聯箱（1); (2:) 式中：Γ為瞬時總平均換熱系數;f為蓄熱體平均瞬時溫度;Ai為i時刻換熱管有效換熱 面積； 此時，換熱管(4)的有效換熱面積增大至A1+1，使得換熱關系滿足如下公式(3):(3) 由此，完成一次換熱面積的調控，使得系統換熱功率保持相對穩定； 在調整過程中，i時刻開啟的三通閥與i+Ι時刻開啟的三通閥之間的換熱管(4)長度Δ li 之間的關系為：(4) 其中，A i+1為i+1時刻換熱管有效換熱面積;d為換熱管(4)內徑。
【文檔編號】F22B35/00GK105953202SQ201610323747
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月16日
【發明人】張良, 王濤, 王宇飛, 范利武, 鄭夢蓮, 俞自濤, 胡亞才
【申請人】浙江大學